第4章交流伺服电动机

1、中国矿大信电学院中国矿大信电学院 第第 4 4 章章交流伺服电动机交流伺服电动机4.1 交交4.2 交交第第4 4章章 交流伺服电动机交流伺服电动机4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析4.4 椭圆磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析4.5 交流伺服电动机幅值控制时的特性交流伺服电动机幅值控制时的特性4.6 移相方法和控制方式移相方法和控制方式4.7 电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性4.8 交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的应用4.9 交流伺服电动机的主要性能指标交流伺服电动机的主要性能指标4.10 交流伺服电动机的主要技术数据交流伺

2、服电动机的主要技术数据掌握交掌握交第第4 4章章 交流伺服电动机交流伺服电动机掌握掌握 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析掌握掌握椭圆磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析掌握掌握交流伺服电动机幅值控制时的特性交流伺服电动机幅值控制时的特性掌握掌握移相方法和控制方式移相方法和控制方式掌握掌握电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性掌握掌握交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的主要性能指标和主要技术数据交流伺服电动机的主要性能指标和主要技术数据本章要求：本章要求：4.1 4.1 交流伺服电动机的概述交流伺服电动机的概述 交流伺服电动机

3、在小功率随动系统中得到交流伺服电动机在小功率随动系统中得到非常广泛的应用。它在自动控制系统中，是将非常广泛的应用。它在自动控制系统中，是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。元件。 自动控制系统对交流伺服电动机的要求自动控制系统对交流伺服电动机的要求主要有以下几点：主要有以下几点： 1、转速和转向应方便地受控制、转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；信号的控制，调速范围要大； 2、整个运行范围内的特性应接、整个运行范围内的特性应接近线性关系，保证运行的稳定性；近线性关系，保证运行的稳定性；控制电机控制电机 3、当控制信号消除时，伺服

4、电动机应立、当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，即电动机无即停转，即电动机无“自转自转”现象；现象； 4、控制功率要小，启动力矩应大；、控制功率要小，启动力矩应大； 5、机电时间常数要小，启动电压要低。、机电时间常数要小，启动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。4.2 4.2 交流伺服电动机的工作原理和结构交流伺服电动机的工作原理和结构一、交流伺服电动机的结构一、交流伺服电动机的结构 交流伺服电动机的结构主要分为定子和转交流伺服电动机的结构主要分为定子和转子两大部分。定子铁心上装有两个绕组，一个子两大部分。定子铁心上装有两个绕组，一个作励磁用，称为

5、励磁绕组作励磁用，称为励磁绕组j1j2；另一个称为控；另一个称为控制绕组制绕组k1k2；两个绕组的轴线互相垂直，在空；两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔间上相隔90。 ukujj1j2k1k2 因此，交因此，交流伺服电动机流伺服电动机是一种两相的是一种两相的交流电动机。交流电动机。控制电机控制电机 交流伺服电动机交流伺服电动机定子铁心和下好线的定子定子铁心和下好线的定子控制电机控制电机ukujj1j2k1k2 转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。杯形转子。控制电机控制电机 杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁圆筒。

6、此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。笼转子一样。杯形转子图杯形转子图控制电机控制电机各种交流伺服电动机图片各种交流伺服电动机图片控制电机控制电机二、工作原理二、工作原理ukujj1j2k1k2 定子两相空间互差定子两相空间互差90电角度绕组中，通入时电角度绕组中，通入时间上互差间上互差90的电流，产生一旋转磁场。转子导体的电流，产生一旋转磁场。转子导体切割该磁场，从而感应电势，该电势在短

7、路的转切割该磁场，从而感应电势，该电势在短路的转子导体中产生电流。子导体中产生电流。 转子载流转子载流导体在旋转磁导体在旋转磁场中受力，从场中受力，从而使得转子沿而使得转子沿旋转磁场转向旋转磁场转向旋转。旋转。nsn1ff动画控制电机控制电机4.3 4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机运行的理论分析一、转子不转时一、转子不转时ukujj1j2k1k21、电磁关系、电磁关系与变压器类似与变压器类似定子加定子加对称对称ui0漏磁通主磁通fm mejeker0ijejekekerere 2 e ri0re je k 1 4.3 4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析圆形磁场下电动机

8、运行的理论分析2、感应电势、感应电势激磁绕组：激磁绕组：mjjfw44.4e jjjxije jjrjriu 控制绕组：控制绕组：mkkfw44.4e kkkxije kkrkriu 转子绕组：转子绕组：rrrrriu rrrxije mrrfw44.4e 2、电压平衡方程式、电压平衡方程式jjjjjjxijrieu kkkkkkxijrieu rrrrrxijrie ukujj1j2k1k20ijejekekerere控制电机控制电机二、转子旋转时二、转子旋转时1、感应电势、感应电势 定子侧激磁绕组、控制绕组感应电势与转子不转定子侧激磁绕组、控制绕组感应电势与转子不转时相同。时相同。转子绕组

9、：转子绕组：mrrssfw44.4e rsrsrsxije rrssee rrssxx rrjx rs.rsi.rse+-f2 转子转子 频率：频率：111112sf60pnn)nn(60p)nn(60npf 控制电机控制电机2、电压平衡方程式、电压平衡方程式jjjjjjxijrieu kkkkkkxijrieu rrsrrsrsrsrrsrssxijrixijrie rrjx rs.rsi.rse+-f2控制电机控制电机三、圆形旋转磁场时三、圆形旋转磁场时 定子绕组电压关系定子绕组电压关系1、wj=wk 时（此时定子为两相对称绕组）时（此时定子为两相对称绕组）jkiji jkeje jkrr

10、 jkxx 当当时时又又jjjjjjxijrieu 而而jjjjjjkkkkkkuj)xijrie( jxijrieu 此时此时为了得到圆形旋转磁场，要求为了得到圆形旋转磁场，要求两相绕组两相绕组电压值相等电压值相等，相位互，相位互差差900 。ukujj1j2k1k2jijekeki控制电机控制电机2、wj /wk =k 时时jkijki kejejk 此时此时kujujk jkjkwwk1uu 绕组电压大小与绕组匝数成正比。绕组电压大小与绕组匝数成正比。两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的电压分别定义为额定激磁电压电压分别定义为额定激磁电压 jn

11、和额定控制和额定控制电压电压kn ，并称两相交流伺服电动机处于对称，并称两相交流伺服电动机处于对称状态。状态。wj=wk 时，时，wj /wk =k 时，时，ujn =uknjkjnknwwk1uu ukujj1j2k1k2jijekeki控制电机控制电机四、转矩及机械特性四、转矩及机械特性 2r2rs2jr2jrr2r2r2jr2jrrsrxw2sruwzsrxfw4srupwzt 1、电磁转矩的物理表达式、电磁转矩的物理表达式rrtcosict 2、电磁转矩的参数表达式、电磁转矩的参数表达式 其中其中zr为转子导条根数，为转子导条根数， wr为转子绕组有为转子绕组有效匝数（笼形电机效匝数（

12、笼形电机wr =1/2），）， s为同步角速度为同步角速度（ s =2 n s /60= 2 f /p）控制电机控制电机3、机械特性、机械特性ottmaxtdnns理想空载：理想空载： n=ns ，s=0，t=0 最大转矩：最大转矩： n=n1 ，s= sm ，t=t maxrrmxrs rs2j2jrrmaxxw4uwzt 堵转点（启动点）：堵转点（启动点）：n=0 ，s = 1 ，t=t d)rx(w2ruwzt2r2rs2jr2jrrd 机械特性仿真不同转子电阻特性不同转子电阻特性控制电机控制电机 为使交流伺服电动机转速从为使交流伺服电动机转速从0ns整个运行范整个运行范围内都保证其工作

13、的稳定性，其机械特性在整个围内都保证其工作的稳定性，其机械特性在整个范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，交范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使sm1。具有大的转子电阻和下垂的机械特具有大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。性是交流伺服电动机的主要特点。 为了表示伺服电动机的运行稳定性，为了表示伺服电动机的运行稳定性，通常引入阻尼系数的概念。这种特通常引入阻尼系数的概念。这种特性用阻尼系数性用阻尼系数d来度量。来度量。0dnt55. 9dndt55. 9d 空载转速空载转速堵转转矩堵转转矩totd

14、nnstl控制电机控制电机 阻尼系数阻尼系数d值越大，转矩变化对转速的值越大，转矩变化对转速的影响很小，电机运行稳定，反之，电机运影响很小，电机运行稳定，反之，电机运行的稳定性很差。行的稳定性很差。 在一定转速范围内，若机械特性近似在一定转速范围内，若机械特性近似看为直线，则在该范围内阻尼系数为看为直线，则在该范围内阻尼系数为1212nntt55. 9d t1、 t2 、n1 、 n2分别为该分别为该范围内机械特性上相应的转矩、范围内机械特性上相应的转矩、转速值。转速值。ottdnnsn2n1t1t24.4 4.4 椭圆磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析一、椭圆形磁场的形

15、成一、椭圆形磁场的形成 当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不相等，即相等，即 =bkm /bjm （ 0 1）；两绕组电流；两绕组电流相位差为相位差为 （0 90o），这时产生的磁场为椭，这时产生的磁场为椭圆形磁场。圆形磁场。当当 = 1， = 90o ，电机产生圆形磁场；，电机产生圆形磁场；当当 = 0， = 0； = 0， = 90o ， = 1， = 0；电机产生脉振磁场；电机产生脉振磁场；当当0 1 ， 0 1，电机，电机不会产生自转现象，当控制电压取消，电机变为单相不会产生自转现象，当控制电压取消，电机变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，使

16、电机停转。运行时，电机就立刻产生制动转矩，使电机停转。r2a r2b r2castcstbst1110202200202 为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时的为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时的机械特性必须如图机械特性必须如图（c）所示，显然这也就要求有相当所示，显然这也就要求有相当大的转子电阻大的转子电阻。控制电机控制电机2、椭圆磁场时的机械特性、椭圆磁场时的机械特性 左图为椭圆磁场的左图为椭圆磁场的机械特性，反向旋转磁机械特性，反向旋转磁场的存在，产生了附加场的存在，产生了附加的制动转矩的制动转矩t反反，使电机，使电机输出转矩减少，且在输出转矩减少，且在t=0的理想空载情况

17、下，转的理想空载情况下，转子转速已不能达到同步子转速已不能达到同步速速ns，只能达到小于，只能达到小于ns的的n0 。t反反t正正nstsn001ntttem4.5 4.5 交流伺服电动机幅值控制时的特性交流伺服电动机幅值控制时的特性一、有效信号系数一、有效信号系数e （ = 90o ）knkeuu （0 e 1， 0 u k ukn ）u k 为控制绕组所加电压，为控制绕组所加电压， u kn为额定控制电压为额定控制电压e 不仅可以表示控制电压的值，而且也可不仅可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机的不对称运行程度。以表示电机的不对称运行程度。当当e =1 ，u k =ukn时，气隙中合成

18、时，气隙中合成磁场是一个圆形旋转磁场电机运行磁场是一个圆形旋转磁场电机运行在对称状态。在对称状态。ukujj1j2k1k2控制电机控制电机 当当e =0 ，u k =0时，气隙中是一个脉振磁场时，气隙中是一个脉振磁场电机运行在不对称度最大状态。电机运行在不对称度最大状态。 可以方便的证明：可以方便的证明： e 。改变控制电压，即改变。改变控制电压，即改变e的的大小，也改变了电机的不对称度，所以两相交流伺服电大小，也改变了电机的不对称度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机的不对称度来达到控制目的。动机是靠改变电机的不对称度来达到控制目的。knkeuu jmkmbb ukujj1j2k1k2控制电

19、机控制电机二、不同有效信号系数时电机的机械特性二、不同有效信号系数时电机的机械特性nto e = 0.25 e = 0.5 e = 0.75 e = 1ukujj1j2k1k2控制电机控制电机三、转速的控制与调节特性三、转速的控制与调节特性10t=0t1t3t2n e 为清楚表示转速随控制电信号变化的关系，为清楚表示转速随控制电信号变化的关系，常用调节特性曲线来表示。常用调节特性曲线来表示。nto e = 0.25 e = 0.5 e = 0.75 e = 1tlabcdukujj1j2k1k2控制电机控制电机四、堵转特性四、堵转特性 堵转特性是指伺服电动机堵转转矩与控堵转特性是指伺服电动机堵

20、转转矩与控制电压的关系曲线，即制电压的关系曲线，即td =f ( e )曲线。不同曲线。不同有效信号系数有效信号系数 e 时的堵转转矩就是各条机械时的堵转转矩就是各条机械特性曲线与横坐标的交点。特性曲线与横坐标的交点。 etdoukujj1j2k1k2控制电机控制电机五、机械特性的实用表达式五、机械特性的实用表达式2e2e0deann)1(2btt 其中：其中：s0dnth4b 2snh4a htd0td0 /2ns /2nnst104.6 4.6 移相方法和控制方式移相方法和控制方式 为了在电机内形成一个圆形磁场，要求激磁为了在电机内形成一个圆形磁场，要求激磁电压电压uj 和控制电压和控制电

21、压uk 之间应有之间应有90o 的相位差。但的相位差。但是，在实际工作中经常是单相或三相电源，极少是，在实际工作中经常是单相或三相电源，极少有相移有相移90o的两相电源，这就需要想法使现有的电的两相电源，这就需要想法使现有的电源改变成具有相移的两相电源，以满足交流伺服源改变成具有相移的两相电源，以满足交流伺服电动机的需要。电动机的需要。1. 利用三相电源的相电压和线电压构成利用三相电源的相电压和线电压构成90的移相的移相 三相电源如果有中点，可取一三相电源如果有中点，可取一相电压如加到控制绕组上，另外两相电压如加到控制绕组上，另外两相的线电压供给励磁绕组，这两个相的线电压供给励磁绕组，这两个绕

22、组的电压相位差为绕组的电压相位差为90。abcouaucb控制电机控制电机 三相电源如无中点，可以接上一个三相变压三相电源如无中点，可以接上一个三相变压器，利用三相变压器副边上的相电压和线电压形器，利用三相变压器副边上的相电压和线电压形成具有成具有90相移的两相电压。相移的两相电压。控制电机控制电机 当三相电源没有中点时，可以采用一个具有当三相电源没有中点时，可以采用一个具有中点抽头的带铁心的电抗线圈造成人工中点，把中点抽头的带铁心的电抗线圈造成人工中点，把电抗线圈两端接在三相电源的电抗线圈两端接在三相电源的b，c两头上，设两头上，设它的中间抽头为它的中间抽头为d点，那么点，那么bc与与da两

23、相电压的两相电压的相位差正好是相位差正好是90相移。相移。abcadabcd控制电机控制电机3. 采用移相网络采用移相网络 在系统控制线路中，常采用移相网络来使在系统控制线路中，常采用移相网络来使得伺服电动机的控制电压与励磁电压成得伺服电动机的控制电压与励磁电压成90的的相移。相移。2. 利用三相电源的任意两相线电压利用三相电源的任意两相线电压 三相电源三个线电压的位差三相电源三个线电压的位差120,为了方为了方便，直接取任意两相线电压使用便，直接取任意两相线电压使用,若加上系统中若加上系统中其它元件的相位移其它元件的相位移,这时加在电动机定子绕组上这时加在电动机定子绕组上的两个电压接近的两个

24、电压接近90的相位差。的相位差。控制电机控制电机 以上几种移相方法是直接将电源移相或通过移以上几种移相方法是直接将电源移相或通过移相网络使激磁电压和控制电压之间有一相网络使激磁电压和控制电压之间有一固定的相固定的相移移，这些移相方法称为电源移相。采用电源移相，这些移相方法称为电源移相。采用电源移相时，交流伺服电动机只是通过改变控制电压的值时，交流伺服电动机只是通过改变控制电压的值来控制转速的，而定子绕组上两电压的来控制转速的，而定子绕组上两电压的相位差恒相位差恒定定地保持为不变。这种控制方式常称为地保持为不变。这种控制方式常称为幅值控制幅值控制。ukujj1j2k1k2控制电机控制电机交流伺服

25、电动机属于电感性负载交流伺服电动机属于电感性负载,励磁电流励磁电流 İj 和和控制电流控制电流İk 分别落后励磁电压分别落后励磁电压j和控制电压和控制电压 k一一个阻抗角个阻抗角j 和和k 。 在励磁回路中加一个电容在励磁回路中加一个电容c ，使得励磁回路呈，使得励磁回路呈容性，使励磁电流容性，使励磁电流İj和励磁电压和励磁电压j 领先于电源领先于电源电压电压。选择合适的电容。选择合适的电容c ，可以使励磁和控，可以使励磁和控制电压的相位差成制电压的相位差成90 。4. 在励磁相中串联电容器在励磁相中串联电容器激磁相电路中串联的电容激磁相电路中串联的电容c移相，这种方法很容移相，这种方法很容易

26、简单，在自控制系统中得到非常广泛的运用。易简单，在自控制系统中得到非常广泛的运用。控制电机控制电机交流放大器交流放大器敏感元件敏感元件控制要求控制要求kjkjckjkjc 采用激磁相串联电采用激磁相串联电容器移相的交流伺服电容器移相的交流伺服电动机通常简称为动机通常简称为电容伺电容伺服电动机服电动机，这种移相方，这种移相方法简称为电容移相。法简称为电容移相。控制电机控制电机 在进行移相时，还可以采用电阻和电容串联在进行移相时，还可以采用电阻和电容串联的方法来实现。的方法来实现。kjkjcrrcjj 系统对电容伺服电动机控制时，不但控制系统对电容伺服电动机控制时，不但控制电压值电压值在变化，控制

27、电压和励磁电压之间的在变化，控制电压和励磁电压之间的相相位位也在变化，这种控制方式称为也在变化，这种控制方式称为幅相控制幅相控制。4.7 4.7 电容伺服电动机的特性电容伺服电动机的特性一、励磁电压一、励磁电压j 随转速的变化情况随转速的变化情况 1、通常要求电机在启动时产生、通常要求电机在启动时产生圆形磁场，以适应启动时快速灵圆形磁场，以适应启动时快速灵敏的要求。它的电容值通常是根敏的要求。它的电容值通常是根据转速据转速n=0 时的参数来确定的。时的参数来确定的。2、当电动机运行时，磁场将从、当电动机运行时，磁场将从圆形磁场变成椭圆形磁场，电机圆形磁场变成椭圆形磁场，电机转速不同，磁场的椭圆

28、度也不同。转速不同，磁场的椭圆度也不同。转速变化时，激磁电压转速变化时，激磁电压j 的值和的值和相位都要随着变化相位都要随着变化。ni uujucij控制电机控制电机二、机械特性和调节特性二、机械特性和调节特性 电容伺服电动机励磁绕组两端的电压随转速升高而电容伺服电动机励磁绕组两端的电压随转速升高而增大，其磁场椭圆度也在发生很大的变化，它的特性与增大，其磁场椭圆度也在发生很大的变化，它的特性与幅值控制时的特性有很大差别。幅值控制时的特性有很大差别。nto31.25v62.5v93.75v 125vnto31.25v62.5v93.75v 125v幅值控制电机机械特性幅值控制电机机械特性电容电机

29、机械特性电容电机机械特性ukuk控制电机控制电机 对两者的机械特性进行比较可知，电容伺服对两者的机械特性进行比较可知，电容伺服电动机的特性非线性比较严重。其在低速段出现电动机的特性非线性比较严重。其在低速段出现鼓包现象，会影响电机运行的稳定性。鼓包现象，会影响电机运行的稳定性。幅值控制调节特性幅值控制调节特性电容伺服电动机调节特性电容伺服电动机调节特性0u k(v)tl=0tl1=50mn.mtl1=100mn.mn(r/min)tl=0tl1=50mn.mtl2=100mn.mu k(v)n(r/min)04.8 4.8 交流伺服电动机的主要性能指标交流伺服电动机的主要性能指标一、空载始动电

30、压一、空载始动电压 在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压定义为空载始动电压us0。 us0 越小，表示伺服越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。电动机的灵敏度越高。二、机械特性非线性度二、机械特性非线性度km 在额定励磁电压下，任在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特意控制电压时的实际机械特性在转矩性在转矩t = td /2时的转速时的转速 偏差偏差n与空载转速与空载转速n0之比的之比的百分数。百分数。000m100nnk ntdtd / 2tn0n0控制电机

31、控制电机三、调节特性非线性度三、调节特性非线性度kv 在额定励磁电压在额定励磁电压和空载的情况下，当和空载的情况下，当e=0.7 时，实际调节时，实际调节特性与线性调节特性特性与线性调节特性的转速偏差与的转速偏差与e=1 时时的空载转速之间的百的空载转速之间的百分比。分比。实际调节特性实际调节特性线性调节特性线性调节特性 ne0.7 1.00n0n%100nnk0v 控制电机控制电机四、四、 堵转特性非线性度堵转特性非线性度kd 在额定励磁在额定励磁电压下，实际堵电压下，实际堵转转 特性与线性特性与线性堵转特性的最大堵转特性的最大偏差与偏差与e=1 是的是的堵转转矩之间的堵转转矩之间的百分比。百分比。 0dmaxdndttk 实际堵转特性实际堵转特性线性堵转特性线性堵转特性 tdne1.00td0td控制电机控制电机 当转子电阻相当大时，把当转子电阻相当大时，把e = 1时的机械时的机械特性近似用一条直线来代替，这条线性机械特特性近似用一条直线来代替，这条线性机械特性相对应的机电时间常数为：性相对应的机电时间常数为：)s(tj0d0j转子转动惯量转子转动惯量堵转转矩堵转转矩 当电机工作于非对称状态当电机工作于非对